Новый эксперимент с двумя щелями доказал волновую природу света во времени

Ученые воссоздали знаменитый эксперимент с двумя щелями, который показал, что свет ведет себя как частицы и волна не только в пространстве, но и во времени. Эксперимент основан на материалах, которые могут изменять свои оптические свойства за доли секунды, которые можно использовать в новых технологиях или для изучения фундаментальных вопросов физики.

Оригинальный эксперимент с двумя щелями, проведенный в 1801 году Томасом Юнгом показал, что свет действует как волна. Однако дальнейшие эксперименты показали, что свет на самом деле ведет себя и как волна, и как частица, что раскрывает его квантовую природу.

Эти эксперименты оказали глубокое влияние на квантовую физику, открыв двойную частично-волновую природу не только света, но и других «частиц», включая электроны, нейтроны и целые атомы.

Теперь команда физиков Имперского колледжа Лондона провела эксперимент, используя «щели» во времени, а не в пространстве. Они достигли этого, пропустив свет через материал, который меняет свои свойства за фемтосекунды (квадриллионные доли секунды), позволяя свету проходить только в определенное время в быстрой последовательности.

«Наш эксперимент раскрывает больше фундаментальной природы света, а также служит ступенькой к созданию материалов, которые могут точно контролировать свет как в пространстве, так и во времени», — говорят исследователи.

Первоначальная установка с двумя щелями включала направление света на непрозрачный экран с двумя тонкими параллельными щелями. За экраном находился детектор проходящего света.

Чтобы пройти через щели в виде волны, свет разделяется на две волны, которые проходят через каждую щель. Когда эти волны снова пересекаются на другой стороне, они «мешают» друг другу. Там, где встречаются пики волны, они усиливают друг друга, но там, где встречаются пик и впадина, они нейтрализуют друг друга. Это создает полосатый рисунок на детекторе областей с большим и меньшим количеством света.

Свет также можно разделить на «частицы», называемые фотонами, которые можно записать, когда они попадают на детектор, постепенно создавая полосатую интерференционную картину. Даже когда исследователи запускали только один фотон за раз, интерференционная картина все равно появлялась, как если бы фотон разделялся на две части и проходил через обе щели.

В классической версии эксперимента свет, выходящий из физических щелей, меняет свое направление, поэтому интерференционная картина записывается в угловом профиле света. Вместо этого временные щели в новом эксперименте изменяют частоту света, что меняет его цвет. Это создало цвета света, которые интерферируют друг с другом, усиливая и отменяя определенные цвета, создавая интерференционный узор.

В качестве материала ученые использовали тонкую пленку оксида индия-олова, из которой формируют экраны большинства мобильных телефонов.

Лазеры изменяли отражательную способность материала в сверхбыстрых временных масштабах, создавая «щели» для света. Материал реагировал гораздо быстрее, чем ожидали исследователи, на управление лазером, изменяя свою отражательную способность за несколько фемтосекунд.

Этот материал представляет собой метаматериал, созданный таким образом, чтобы он обладал свойствами, которых нет в природе. Такое тонкое управление светом является одним из перспектив метаматериалов, и в сочетании с пространственным управлением может создать новые технологии и даже аналоги для изучения фундаментальных физических явлений, таких как черные дыры.

Далее ученые планируют исследовать явление в «кристалле времени», который аналогичен обычному кристаллу, но оптические свойства которого меняются во времени.

«Концепция кристаллов времени может привести к созданию сверхбыстрых параллельных оптических переключателей» — говорят ученые.